研究生規劃教材•材料表面現代分析方法（賈賢著書籍）

研究生規劃教材•材料表面現代分析方法（賈賢著書籍）首先在緒論部分介紹了材料表面及其特性以及材料表面分析的主要內容，然後在其他章節介紹了電子與固體樣品的相互作用、電子光學基礎和研究材料表面常用的現代分析方法，包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針、X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、二次離子質譜、場離子顯微鏡與原子探針、掃描隧道電子顯微鏡、原子力顯微鏡、掠入射X射線衍射等。對這些表面分析方法的基本原理、儀器結構、技術特點和應用範圍等精華進行了較為系統的論述。該書不僅可作為材料科學與工程專業研究生教材，以及該專業本科生教學參考書，而且對直接從事表面科學的研究人員、分析測試人員和涉及表面現象的工程技術人員均有較大的參考價值。

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目錄

序言

材料是人類歷史和發展的標誌，其研發和應用水平是一個國家科技進步和綜合國力的重要體現。人們把材料、信息和能源譽為當代文明的三大支柱，材料科學、信息科學和生命科學是當代新技術革命中的三大前沿科學。可見,材料科學是當代高新技術的重要組成部分，而材料表面在材料科學中占有重要地位，隨着材料科學的迅速發展，材料表面的研究也越來越受到重視。材料表面與其內部本體，無論是在結構上還是在化學組成上都有明顯的差別，這是因為材料內部原子受到周圍原子的相互作用是相同的，而處在材料表面的原子受到的力場是不平衡的。因此，材料表面的結構、形貌、成分等因素直接影響材料的整體性能，對材料腐蝕、摩擦、磨損、粘接、吸附、解吸、催化作用等問題都具有重要意義。表面科學對工業、農業、生物、醫學、環境保護等國民經濟的各個領域都有重要作用，得到了蓬勃的發展。 表面分析方法是研究這些表面問題的重要手段。例如，金屬材料由於氧化每年造成的損失是相當可觀的，而金屬的氧化腐蝕與其表面的成分和結構密切相關，所以腐蝕問題的研究離不開表面分析技術；金屬材料的脆性斷裂往往會使構件突然破壞造成嚴重事故，這種脆性斷裂常常與晶界的成分、結構有關，而晶界實質上就是固相之間的界面，也要用表面分析技術加以研究；在半導體集成電路方面，通過對表面的分析不僅可以為提高器件的性能指明方向，而且還可以作為生產過程中質量控制的手段；在化工中使用催化劑可以加速反應的進行，提高產物的回收率，通過表面分析可以了解催化機理、分析催化劑失效的原因、尋找新的有效催化劑。 總之，要深入研究材料表面的形貌、成分和結構等物理、化學性質，促進表面科學的發展，就必須有能夠滿足要求的材料表面分析方法。隨着科學技術的發展，特別是超高真空技術、電子技術和計算機應用的發展，出現了一些新型的表面分析儀器和分析方法，能夠分析材料表面幾個原子層乃至單個原子層的成分和結構，能夠觀察到材料表面原子的排列狀態，從而使表面的研究工作取得了巨大的進展，逐漸形成了一門新興的學科——表面科學。 表面科學的發展和許多相關工程問題的解決要以精確的分析試驗為依據，而對材料表面的分析研究要通過必要的材料表面分析方法來完成。因此，各國對材料科學與工程專業的研究生和本科生的教育正在逐步加強這方面知識和技能的培養，但是目前中國尚缺乏材料表面分析方面的教材。本書首先在緒論部分介紹了材料表面及其特性以及材料表面分析的主要內容，然後在其他章節介紹了電子與固體樣品的相互作用、電子光學基礎和研究材料表面常用的現代分析方法，包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針、X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、二次離子質譜、場離子顯微鏡與原子探針、掃描隧道電子顯微鏡、原子力顯微鏡、掠入射X射線衍射等。對這些表面分析方法的基本原理、儀器結構、技術特點和應用範圍等精華進行了較為系統的論述。該書不僅可作為材料科學與工程專業研究生教材，以及該專業本科生教學參考書，而且對直接從事表面科學的研究人員、分析測試人員和涉及表面現象的工程技術人員均有較大的參考價值。

內容簡介

《材料表面現代分析方法》：研究生規劃教材

圖書目錄

第1章 緒論1 1.1 表面科學及其發展1 1.2 表面科學的應用2 1.3 表面的種類4 1.4 表面的特性5 1.5 表面分析的內容6 1.6 表面分析的基本原理及儀器基本組成7 1.7 表面分析的發展9 1.8 表面分析的應用領域10

第2章 電子與固體樣品的相互作用12 2.1 電子與固體樣品的相互作用區域12 2.2 固體原子對入射電子的散射作用13 2.3 入射電子與樣品相互作用產生的信號16 2.3.1 背散射電子16 2.3.2 二次電子17 2.3.3 吸收電子19 2.3.4 透射電子19 2.3.5 特徵X射線20 2.3.6 俄歇電子21 2.3.7 陰極熒光與電子感生電導21 2.4 由電子與材料相互作用產生的分析方法22

第3章 電子光學基礎23 3.1 光學顯微鏡的分辨率23 3.2 電子波的波長25 3.3 電子透鏡26 3.3.1 靜電透鏡26 3.3.2 電磁透鏡26 3.4 電磁透鏡的像差及分辨率29 3.4.1 球差30 3.4.2 像散30 3.4.3 色差31 3.4.4 分辨率31 3.5 電磁透鏡的景深和焦長32 3.5.1 景深32 3.5.2 焦長33

第4章 透射電子顯微鏡35 4.1 透射電鏡的工作原理和結構35 4.1.1 工作原理35 4.1.2 照明系統36 4.1.3 成像系統38 4.1.4 觀察與記錄系統41 4.1.5 真空系統41 4.1.6 供電控制系統41 4.2 選區電子衍射41 4.2.1 電子衍射原理41 4.2.2 電子衍射特點45 4.2.3 選區電子衍射操作46 4.2.4 電子衍射譜的基本特徵與指數標定47 4.3 電子顯微圖像56 4.3.1 [[]]成像操作56 4.3.2 [[]]像襯度57 4.4 試樣製備62 4.4.1 薄膜法62 4.4.2 復型法64 4.4.3 粉末樣品製備64 4.4.4 薄膜材料樣品的製備64 4.5 透射電鏡在表面分析中的應用65 4.5.1 薄膜的平面分析65 4.5.2 薄膜的橫截面分析66

第5章 掃描電子顯微鏡71 5.1 掃描電鏡的結構和工作原理71 5.1.1 掃描電鏡的結構71 5.1.2 掃描電鏡的工作原理75 5.2 掃描電鏡的特點75 5.3 掃描電鏡的幾種電子圖像分析77 5.3.1 二次電子像的襯度77 5.3.2 背散射電子像的襯度79 5.3.3 吸收電子像81 5.4 掃描電鏡樣品的製備82 5.5 掃描電鏡在表面分析中的應用83 5.5.1 材料表面組織形態的觀察研究83 5.5.2 斷口形貌的觀察研究84 5.5.3 顯示微區成分差別和鑑別物相87 5.5.4 納米結構材料形態的觀察研究87

第6章 電子探針89 6.1 電子探針的工作原理與結構89 6.2 波譜儀的工作原理及結構90 6.2.1 工作原理90 6.2.2 分光系統91 6.2.3 檢測系統93 6.2.4 波譜儀的特點94 6.3 能譜儀的工作原理與結構95 6.3.1 工作原理95 6.3.2 X射線探測器95 6.3.3 多道脈衝高度分析器96 6.3.4 能譜儀的特點96 6.3.5 WDS與EDS工作特性比較97 6.4 電子探針的分析方法及應用98 6.4.1 定點分析98 6.4.2 線掃描分析100 6.4.3 面掃描分析101

第7章 X射線光電子能譜105 7.1 X射線光電子能譜儀的基本原理105 7.2 X射線光電子能譜儀的結構107 7.2.1 超高真空系統108 7.2.2 快速進樣室及樣品分析室108 7.2.3 離子源108 7.2.4 X射線激發源109 7.2.5 能量分析器109 7.2.6 探測器110 7.2.7 計算機系統110 7.3 樣品的製備110 7.4 X射線光電子能譜分析的特點111 7.5 X射線光電子能譜分析的應用112 7.5.1 元素及其化學狀態的定性分析112 7.5.2 定量分析120 7.5.3 元素沿深度方向分布的分析121 7.5.4 成像技術面分析123

第8章 俄歇電子能譜124 8.1 俄歇電子能譜的基本原理124 8.1.1 俄歇電子的產生124 8.1.2 俄歇電子的能量125 8.1.3 俄歇躍遷概率126 8.1.4 平均自由程與平均逃逸深度126 8.1.5 俄歇電子能譜127 8.2 俄歇電子能譜儀128 8.3 分析樣品的製備129 8.4 俄歇電子能譜法的特點131 8.5 俄歇電子能譜分析的應用131 8.5.1 表面元素定性鑑定132 8.5.2 表面元素的半定量分析133 8.5.3 表面元素的化學價態分析135 8.5.4 元素沿深度方向分布的分析135 8.5.5 微區分析136

第9章 二次離子質譜140 9.1 儀器構成與基本原理140 9.2 入射離子與樣品的相互作用141 9.2.1 濺射產額141 9.2.2 二次離子產額142 9.3 一次離子源143 9.4 質量分析器145 9.5 離子檢測器148 9.6 真空系統149 9.7 二次離子質譜儀150 9.7.1 二次離子質譜儀分類150 9.7.2 離子探針151 9.7.3 飛行時間質譜儀152 9.7.4 質譜圖的形式153 9.8 二次離子質譜儀的主要性能154 9.9 二次離子質譜儀的主要特點155 9.10 二次離子質譜的應用156 9.10.1 微量元素分析156 9.10.2 表面成分點分析157 9.10.3 元素麵分布分析158 9.10.4 深度方向成分分析158 9.10.5 三維成分分析159 9.10.6 同位素分析160

第10章 場離子顯微鏡與原子探針161 10.1 場離子顯微鏡161 10.1.1 場離子顯微鏡的結構和原理161 10.1.2 場離子顯微鏡的應用164 10.2 原子探針167 10.2.1 原子探針的結構和原理167 10.2.2 三維原子探針169 10.2.3 原子探針的應用169 10.3 樣品的製備177 10.3.1 由絲狀材料製備樣品的方法177 10.3.2 由薄膜材料製備樣品的方法178

第11章 掃描隧道電子顯微鏡182 11.1 掃描隧道電鏡的結構及工作原理182 11.1.1 隧道電流182 11.1.2 基本結構及工作原理182 11.1.3 工作模式184 11.2 掃描隧道電鏡的特點185 11.3 掃描隧道電鏡的應用186 11.3.1 材料表面結構特徵研究186 11.3.2 材料表面結構相變研究186 11.3.3 液固界面的電化學研究187 11.3.4 表面吸附研究187 11.3.5 表面化學研究188 11.3.6 表面原子分子加工操縱及納米結構構築188

第12章 原子力顯微鏡190 12.1 原子力顯微鏡的結構及工作原理190 12.2 原子力顯微鏡的成像模式192 12.2.1 接觸模式193 12.2.2 非接觸模式193 12.2.3 輕敲模式193 12.3 原子力顯微鏡的特點194 12.4 原子力顯微鏡的應用194 12.4.1 薄膜材料的研究194 12.4.2 材料失效機理的研究195 12.4.3 納米摩擦學的研究197 12.4.4 現場電化學研究202 12.4.5 生物醫學研究203 12.4.6 高聚物表面研究204 12.4.7 測量針尖樣品間的相互作用力曲線206 12.4.8 測量薄膜材料和納米結構機械性能209 12.4.9 納米結構加工211 12.4.10 研究金屬和半導體表面212

第13章 掠入射X射線衍射分析213 13.1 掠入射X射線衍射基本原理213 13.2 掠入射X射線衍射幾何214 13.3 掠入射X射線衍射的應用215 13.3.1 薄膜的相分析215 13.3.2 表面層或薄膜的結構分析216 13.3.3 表面層或薄膜的應力分析219 13.3.4 薄膜厚度的測定220